第一篇 面向世界科技前沿
第1章 矿物生长机制和成因
1.1 叶蜡石成因与应用专属性
1.问题背景
叶蜡石（pyrophyllite）是一种常见的铝质黏土矿物，其晶体化学式为Al2［Si4O10］(OH)2（Anthony et al.， 1990; Drits et al.， 2012）。它既是重要的非金属矿材料，也是重要的工艺雕刻材料，但知名度却远不如以其为主要矿物组分的寿山石、青田石、昌化石和巴林石等印章雕刻石料（叶泽富等， 2017）。叶蜡石矿在世界各地均有分布，矿石的主要矿物组成为叶蜡石、伊利石、石英和少量的斜长石等，矿石主要发育在古火山带的蚀变带中，如环太平洋火山带（Portela et al.， 2021; Imura et al.， 2021）。叶蜡石矿在我国也有众多产地，主要赋存在福建和浙江沿海的晚中生代火山岩区，尤其与古火山活动密切相关（杜鹏， 2019; 叶孔凯， 2019），如浙江青田、龙泉和泰顺等，福建宁德市屏南县寿山，新疆吉木萨尔县大小三台沟，内蒙古好力保等。笔者参与的国际大洋发现计划的第376航次，在新西兰克马德克火山弧中热液活动极为活跃的兄弟火山上实施了钻探工作，在获得的岩心中发现了强烈的叶蜡石蚀变段（图1），其主要由长石等铝硅酸盐矿物蚀变而成（图2）。
叶蜡石因具有诸如特殊的流变性、力学性能、热辐射性能等功能属性，在材料工业有非常广泛的应用，如作为高温陶瓷、（超）高压模具、陶瓷滤芯（膜）（Ha et al.， 2017）、印章及工艺品等的雕刻材料和其他功能材料的载体等（El Gaidoumi et al.， 2019）。我国制备人造金刚石等超硬材料时，其密封传压模具的坯体通常使用北京门头沟叶蜡石矿石制造，偶见其他产地叶蜡石替代门头沟叶蜡石的研究（毛靓玉等， 2002；李蘅等， 2004）。层内摩擦系数受层内能约束，是解释叶蜡石所受应力和变形之间的纽带，而阐述这些现象的原理是建立在晶体结构精确表征的基础上的（Sakuma et al.， 2020）。
图1 叶蜡石化火山岩砾石
图2 长石蚀变形成的叶蜡石光学显微照片
尽管目前在叶蜡石矿的地质成因、矿石组成和叶蜡石的应用开发等每一个方向都有较为详尽的研究（汪灵， 1997; Bozkaya et al.， 2007; Berradaand Belkabir， 2009; Zhang S Y and Zhang H F， 2020），但是关于不同地质成因叶蜡石矿的评价及材料应用的专属性和针对性研究极为贫乏。叶蜡石的工业应用主要受叶蜡石的矿物学特征所约束（Liu and Bai， 2017），即叶蜡石成因不同，其结晶度不同、颗粒尺寸不同，化学组成也不同。事实上，在工业应用中使用的仅仅是以叶蜡石为主的矿石，而非纯的叶蜡石，矿石中尚含有伊利石或石英等其他杂质矿物。叶蜡石矿的矿物组合不同和叶蜡石含量的差异等导致材料性能差异和物理性质不稳定，限制了叶蜡石的使用，降低了叶蜡石的工业价值。例如，叶蜡石的晶粒尺寸影响了其脱水温度和脱水过程（Drits et al.， 2011）。叶蜡石在金刚石等超高压材料的合成中起到不可或缺的传压作用，但即便是被认为最有效的北京门头沟叶蜡石的矿物学研究也极为简单，40余年来几无进展，可查资料仅有基础的化学组成信息、矿物组成信息（陶知耻和蒲正行， 1977；陈天虎等，2001），而精细的矿物学研究几乎空缺。因此，有必要针对叶蜡石的成因与其材料功能专属性之间的联系开展研究。
2. 关键问题
1）材料特定功能属性与叶蜡石的晶体结构和晶体化学组分之间的联系是什么？
叶蜡石有很多独*的功能属性，如作为传压介质的传压能力可由层内摩擦系数来表征，而层内摩擦系数受其晶体结构的2∶1结构片的晶体化学组成约束，在八面体位的类质同象铝替代，将赋予结构层以不同量的负电荷并引起结构层的轻微变形，其层间将有相应的金属阳离子介入以平衡电荷，进而改变了摩擦系数。叶蜡石的化学组成影响叶蜡石的烧结性能（Sule and Sigalas， 2020），过剩的氧化铝将提高叶蜡石烧结陶瓷的力学性能。此外，微量元素掺杂也常被用来改善材料的物理特性。因此，叶蜡石晶体化学组成与其功能属性有何内在联系是一类重要的科学问题。
2）具有特定功能属性的叶蜡石的地质成因是什么？
叶蜡石地质成因不同，其晶体化学也必不同，相应的材料的功能属性也必有差异。针对热液成因、变质成因等不同地质成因的叶蜡石的晶体化学组成研究基本上是空白。例如，闽浙火山岩区的叶蜡石多为热液蚀变成因，常被作为雕刻材料使用。再如，北京门头沟赵家台的叶蜡石是变质成因的，适于作传压介质。因此，查明叶蜡石的晶体化学和结构与其地质成因的差异也是一项重要的科学问题。
3. 科学意义
以具有特定功能属性的叶蜡石矿为切入点，追溯其晶体化学组成、晶体结构以确定其功能属性的根本原因，这样的逆向研究具有厘清其应用理论基础的重要科学意义。针对这类矿床的野外产状、矿物组合特征、流体特征、微量元素等地质特征开展研究，查明叶蜡石颗粒的微观形貌与地质成因之间的联系。将叶蜡石的晶体形貌、化学组成等特征与其特定的功能属性关联研究，探索纤维状、微细片状叶蜡石的力学性质与八面体配位阳离子组成的关系。探索叶蜡石纯矿物的晶体化学组成与烧结性能的关系，提升叶蜡石应用的科学性、针对性，提高矿业的经济产出。因此，叶蜡石
